Однофазные асинхронные двигатели

Однофа́зный дви́гатель — электродвигатель, конструктивно предназначенный для подключения к однофазной сетипеременного тока.

Фактически является двухфазным, но вследствие того, что рабочей является только одна обмотка, двигатель называют однофазным

Строго говоря, именно однофазным называется такой асинхронный двигатель, который имеет на статоре одну рабочую обмотку, которая подключается к сети однофазного тока. Запуск осуществляется вращающимся магнитным полем, создающимся основной обмоткой и дополнительной (меньшей) пусковой обмоткой, которая подключается через ёмкость/индуктивность к основной сети на время пуска или замыкается накоротко (в двигателях малой мощности).

Преимуществом двигателя является простота конструкции (короткозамкнутый ротор). Недостатки — малый пусковой момент (или вообще его отсутствие) и низкий КПД.

Применяются в основном в вентиляторах малой мощности (настольных, оконных, для ванных комнат и т. п.). Самым массовым советским вентилятором такого типа (и двигателем для него) был «ВН-2» мощностью 15 Ватт. Особенностью его конструкции является установка шарикового подшипника только с одной стороны вала двигателя (противоположной крыльчатке вентилятора), в результате из-за значительных изгибающих нагрузок подшипник (и двигатель) сильно шумит даже на малых оборотах.

 

Области применения. Асинхронные двигатели небольшой мощности (15 — 600 Вт) применяют в автоматических устройствах и электробытовых приборах для привода вентиляторов, насосов и другого оборудования, не требующего регулирования частоты вращения. В электробытовых приборах и автоматических устройствах обычно используют однофазные микродвигатели, так как эти приборы и устройства, как правило, получают питание от однофазной сети переменного тока.

Конденсаторные двигатели — разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока.^[1] Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем. По количеству фаз статора делятся на двухфазные и трехфазные.

Существует разные схемы подключения, больше вариантов для трёхфазных двигателей, различающиеся способом соединения обмоток двигателя и составом дополнительных элементов, но минимальная работоспособная схема содержит один конденсатор, от чего и происходит название.

Как правило, одна из обмоток («фаза двигателя») запитывается напрямую от однофазной сети, а другие обмотки запитывается через электрический конденсатор, который сдвигает фазу подводимого тока почти на +90°, или через катушку индуктивности, которая сдвигает фазу почти на −90°. Чтобы результирующее вращающееся магнитное поле не было эллиптическим,последовательно с конденсатором включается переменный проволочный резистор, с помощью которого добиваются кругового вращающегося магнитного поля.

 

38 конструкция и принцип действия синхронных машин

Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором. Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

оторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах. Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз.

Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, маг­нитные оси которых сдвинуты в пространстве на электри­ческий угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируют­ся ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:

 

f 1= pn/60.

(1)

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в опреде­ленной зависимости между собой. Так, для получения стан­дартной частоты f ₁ = 50 Гц при р=1нужно иметь частоту вращения n = 3000 об/мин, а при р = 24 n = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генера­тора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора

n 1= 60 f 1/ p.

(2)

Заменяя в (2) частоту ее значением из (1), полу­чаем

n ₁= n.

Равенство частот вращения ротора п и поля якоря n ₁ является характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название.

39.работа синхронного двигателя под нагрузкой

При нагрузке генератора в обмотке статора протекает ток. При симметричной нагрузке токи в фазах обмотки статора равны и сдвинуты на 1/3 периода. Токи статора создают вращающееся маг­нитное поле, скорость вращения которого

т. е. магнитное поле, созданное токами в обмотке статора, вращает­ся синхронно с магнитным полем полюсов.

В обмотке статора синхронного генератора создается э.д. с, величина которой зависит от магнитного потока полюсов. Если магнитный поток полюсов очень мал, то и э.д. с также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и э. д. с. машины. Таким образом, при постоянной скорости вращения ротора э.д.с. пропор­циональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения. Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнит­ный поток полюсов, что вызовет увеличение э. д. с. машины. Следо­вательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соот­ветствующее изменение э. д. с. машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.

Если синхронный генератор не нагружен (работает вхолостую), то тока в обмотках статора нет и напряжение на зажимах генера­тора равно э.д.с, индуктированной в обмотке статора.

При нагрузке генератора ток в обмотке статора не равен нулю и, следовательно, напряжение на зажимах генератора не равно э.д. с, так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения. Кроме того, токи, проте­кающие по обмоткам статора', создают поток реакции якоря, кото­рый воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнит­ный поток не будет равен магнитному потоку полюсов при холостой Работе генератора. Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в статоре генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.

 

40 Основными характеристиками синхронного генератора являются характеристика холостого хода, а также внешняя и регулировочная характеристики.
, Характеристика холостого хода
Эта характеристика представляет собой зависимость ЭДС генератора Е0 на холостом ходу (т.е. без нагрузки) от тока возбуждения IВ. Она связана с кривой намагничивания стали и напоминает ее по форме (рис. 9.3).

На холостом ходу синхронного генератора его ЭДС создается только главным магнитным потоком, поэтому ЭДС Е0 пропорциональна главному магнитному потоку Ф0, который в свою очередь пропорционален магнитной индукции В0в статоре. Поэтому зависимость Е0 =f(IВ,) подобна зависимости
Во =f(Iв) т.е. первоначальной кривой намагничивания стали. При достижении области магнитного насыщения магнитной системы генератора скорость роста ЭДС уменьшается, а спрямление кривой при малых значениях индукции происходит за счет воздушного зазора в магнитной цепи машины,
обладающего большим магнитным сопротивлением. Опытным путем эту характеристику получают, изменяя ток возбуждения при номинальной скорости вращения ротора. Номинальный режим возбуждения генератора
выбирают в области изгиба кривой (точка А). Использование области магнитного насыщения для увеличения ЭДС генератора приводит к неоправданному увеличению тока и размеров обмотки возбуждения.

41 Но кроме мощности потерь в проводах в генераторе имеют место еще мощность механических потерь РМ п и мощность потерь из-за гистерезиса и вихревых токов в электротехнической стали РС статора и полюсных башмаков. Из уравнения (15.65) видно, что мощность этих потерь покрывается не за счет электрической мощности, а непосредственно за счет механической мощности первичного двигателя. энергетическая диаграмма синхронного генератора показана на рис. 15.5. Кроме того, в синхронном генераторе имеют место потери энергии на возбуждение. Мощность потерь на возбуждение генератора равна мощности источника постоянного тока возбудителя Р и составляет примерно 0 3 - 1 % номинальной мощности генераторов. Мощность всех потерь энергии в генераторе делится на мощность постоянных потерь, почти не зависящую от нагрузки, и мощность переменных потерь, изменяющуюся в зависимости от нагрузки. Мощность постоянных потерь РПОС равна сумме мощностей потерь механических РМ возбуждения воз и в электротехнической стали Рс, мощность переменных по-терь / равна мощности потерь в проводах.

42 Параллельная работа генераторов

Обычно на электрических станциях устанавливается несколько синхронных генераторов, предназначенных для параллельной работы, что в большой степени повышает надежность работы станций в отношении бесперебойности энергоснабжения потребителей. В этом случае возможно в зависимости от потребной мощности включать на совместную работу такое количество генераторов, чтобы каждый из них отдавал номинальную мощность или близкую к ней. Тогда не только генераторы, но и их первичные двигатели будут работать с высоким к. п. д., так как те и другие рассчитываются и выполняются таким образом, чтобы значения их к. п. д. были наибольшими при номинальной нагрузке. Кроме того, и электрические станции часто объединяются для параллельной работы в одну мощную систему, позволяющую наилучшим образом как с технической, так и экономической точки зрения разрешать задачу производства и распределения электрической энергии. Поэтому вопросы, относящиеся к параллельной работе синхронных машин, имеют большое практическое значение.

синхронных машин, которые характерны только для них и выделяют их среди других машин переменного тока.

Вначале рассмотрим применительно к синхронным генераторам общие вопросы параллельной работы синхронных машин, одинаково относящиеся к генераторному и двигательному их режимам.

а) Синхронизация и включение на параллельную работу. При включении на параллельную работу синхронных машин, как и в случае трансформаторов, необходимо выполнить определенные условия.

Рассмотрим сначала включение на параллельную работу однофазной машины. На рис. 4-54 изображены генератор, который присоединен к общим шинам, и генератор, который нужно включить на параллельную работу с первым.

Перед включением необходимо добиться равенства напряжений на зажимах генератора и сети, к которой генератор приключается. Так как при параллельной работе наведенная э. д. с. должна в каждый момент времени уравновесить напряжение сети, то необходимо иметь одинаковые формы кривых э. д. с. генераторов. Этому требованию современные синхронные машины удовлетворяют: они имеют стандартную, практически синусоидальную форму кривой э. д. с. Поэтому достаточно добиться при включении равенства действующих значений напряжений, а также равенства частот и фаз. Это достигается посредством изменения тока в обмотке возбуждения приключаемого генератора и путем регулирования скорости еговращения.